乙烯裂解装置立式急冷换热器壳体开裂分析
2020-03-30张中利赵宝强
张中利 赵宝强 王 娟
（1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.嘉峪关市产品质量计量和特种设备检验检测中心；3.中国石油兰州石化公司炼油厂）
急冷换热器是乙烯裂解装置中工艺性非常强的关键设备。 急冷换热器主要有两个任务：一是将800℃左右的高温裂解气迅速冷却至二次反应温度以下，减少烯烃损失；二是尽可能多地回收裂解气的高位热能，产生12.0MPa 左右的高压蒸汽［1］。 某厂乙烯裂解装置立式急冷换热器运行11 年后， 在壳体上管板下方150mm 处发现3 处开裂，造成气体外漏，只能停车检修，这直接影响了生产进度。 为了防范此类失效事故的发生，有必要分析换热器壳体开裂的原因，并提出应对举措。
1 急冷换热器概况
乙烯裂解装置立式急冷换热器的尺寸规格为DN1600mm×64mm，主要技术参数为：
设计温度（入口/出口） 壳程343/-15℃
管程482/-15℃
操作温度（入口/出口） 壳程329.0/329.1℃
管程417.8/346.1℃
设计压力（入口/出口） 壳程13.70MPa /F.V
管程0.85MPa
操作压力 壳程 11.30MPa
管程 0.15MPa
介质 壳程锅炉水（pH 值 9.0～10.5）
管程裂解炉流出物
材料 壳程13MnNiMoNbR
换热管SA213T11
2 理化分析
2.1 宏观检查
乙烯裂解装置立式急冷换热器壳体外壁无明显腐蚀坑，内壁表面有少量凹坑，存在一条台阶状主裂纹和两条二次裂纹，裂纹已沿厚度方向完全开裂（图1a～c）。该急冷换热器壳体裂纹断口表面凹凸不平，附着有大量腐蚀产物，但无明显塑性变形。
2.2 化学成分分析
采用直读光谱仪对乙烯裂解装置立式急冷换热器壳体的材料进行化学成分分析，将分析结果列于表1。由表1 可知，该急冷换热器壳体的化学成分符合GB 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》对13MnNiMoNbR 钢的要求。
图1 急冷换热器壳体宏观形貌及取样位置
表1 壳体材料的化学成分 wt%
2.3 力学性能试验
在乙烯裂解装置立式急冷换热器壳体完好部位取样，进行常温拉伸试验和0℃冲击试验，试验结果列于表2。
表2 壳体的力学性能试验结果
由表2 可以看出，该立式急冷换热器壳体的下屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和V 形冲击吸收功均符合GB 713—2014 中对13MnNiMoN-bR 钢的要求。
2.4 金相分析
乙烯裂解装置立式急冷换热器壳体径向截面裂纹形貌如图2 所示。 由图2 可以看出，壳体径向截面存在由内壁向外壁扩展的裂纹，裂纹呈现沿晶开裂的特点，金相组织为贝氏体，如图3a～c 所示。
图2 急冷换热器壳体径向截面裂纹形貌 ×50
图3 急冷换热器壳体金相组织
2.5 断口扫描电镜与能谱分析
采用日本电子JSM-6510 扫描电镜对乙烯裂解装置立式急冷换热器壳体裂纹断口进行微观形貌分析。 从扫描电镜照片可以看出，原始断口表面存在大量腐蚀产物（图4a）；清洗后的断口呈现沿晶开裂的特征， 且存在大量的沿晶二次裂纹，为典型的碱应力腐蚀开裂，同时断口还有少量腐蚀坑（图4b）。
图4 急冷换热器壳体裂纹断口扫描电镜照片
急冷换热器壳体裂纹断口表面腐蚀产物的能谱图如图5 所示，能谱分析结果列于表3。由图5、表3 可知，腐蚀产物中 O、Al、Ca 含量较高，说明存在大量氧化物。
图5 腐蚀产物能谱图
表3 腐蚀产物能谱分析结果 %
（续表3）
3 开裂原因
常见的对碱腐蚀较敏感的材料有碳钢、低合金钢和300 系列不锈钢，而乙烯裂解装置立式急冷换热器壳体材料为13MnNiMoNbR 钢， 属于低合金钢。 低合金钢在NaOH 溶液中的应力腐蚀开裂主要是电化学反应的阳极过程引起的，该类钢在NaOH 溶液中受OH-的作用在表面形成钝化膜， 但钝化膜容易破口， 破口处受到热浓NaOH的强腐蚀作用，其反应式为：
当NaOH 充分浓缩至5%以上时， 钢表面的磁性氧化铁会被溶解，而露出活性表面［2］。
急冷换热器壳体的裂纹位于焊缝附近的热影响区，该区域作用着3 类应力：受焊接影响存在的残余应力；因壳体内部温度分布不均存在的热应力；外载荷引起的应力。 这3 类拉应力共同作用为碱应力腐蚀提供了应力条件。
碱腐蚀介质必须为热浓碱液，碱液的浓度越高，碱腐蚀的敏感性越大。 急冷换热器壳体介质温度较高且呈碱性［3］，再加之水量不足，气液交界处易产生局部浓缩碱环境［4］，为碱应力腐蚀提供了温度和介质条件。
综上分析可知，该乙烯裂解装置立式急冷换热器壳体开裂是材料对碱应力腐蚀敏感造成的。
4 结束语
乙烯裂解装置立式急冷换热器壳体选用的材料对碱应力腐蚀开裂较敏感，壳体内壁气液交界处存在浓缩碱环境，易引发局部碱腐蚀，形成腐蚀坑或微裂纹，在焊接残余应力与工作应力的共同作用下，不断由内壁向外壁扩展，最终发生开裂。 对此，应尽量降低设备焊接时产生的残余应力，焊后需进行消除应力的热处理；保证足够的水流量、减少游离碱，确保介质碱浓度符合设计要求；加入缓蚀剂进行腐蚀的有效防护；实施内窥镜定期检验的办法。 只有多环节管控，才能尽可能延长急冷换热器的使用寿命，保证乙烯裂解装置的安全平稳长周期运行。
